新能源车与复合材料

2010-11-20  来源1:复材在线 作者:复材在线 浏览次数:9884 收藏  |  分享

前言随着世界汽车产业的发展,日益增大了对石油能源的消耗,加快了从能源短缺到能源枯竭的步伐。同时,汽车排放造成的大气污染和地球的温室效应,已经成为全人类的公害。人类社会和汽车产业的可持续发展,受到了极大的威胁。发展汽车新能...
前言

随着世界汽车产业的发展,日益增大了对石油能源的消耗,加快了从能源短缺到能源枯竭的步伐。同时,汽车排放造成的大气污染和地球的温室效应,已经成为全人类的公害。人类社会和汽车产业的可持续发展,受到了极大的威胁。发展汽车新能源、开发汽车新动力,已成为世界汽车产业面临的十分紧迫的任务。在2008年全球金融危机严峻形势的促动下,汽车动力技术革命的亮点很快被当作振兴经济的突破口而得以引导。

新能源汽车产业化现状

2009年以来,各国政府明确传递出了一个强烈的信号——大力推广新能源汽车,尤其是纯电动汽车。为此,世界各国纷纷制订了新能源汽车的国家发展战略,其行动之迅速、力度之大、步调之一致,是前所未有的,已日益演变成一场争夺未来汽车产业制高点的竞争。美国总统奥巴马实施的绿色行政,将发展电动汽车作为国家的重要战略组成部分,计划到2015年普及100万辆插电式混合动力的电力汽车;法国政府宣布,启动一项名为“电动车战役”的新能源汽车发展规划,按照计划,2020年之前,法国的高速公路上将出现200万辆纯电动或油电混合动力汽车;德国政府在2009年11月提出,未来10年将普及100万辆纯电动汽车和插电式混合动力汽车,进而进入电动汽车时代;日本将发展电动汽车作为“低碳革命”的核心内容,计划到2020年开发出至少17款纯电动汽车,普及包括电动汽车在内的“下一代汽车”达到1350万辆;韩国政府决定到2014年为止,将投资4000亿韩元,支援企业研发电动汽车相关核心技术以及零部件和材料,并将从2011年下半年开始大规模进行电动汽车的生产,计划到2015年韩国电动汽车在国际市场上的份额要达到10%。

中国也不例外,新能源汽车特别是电动汽车一直是我国政府优先发展的产业。国家863计划在启动之初即安排了电动汽车专项,累计投入3亿多元支持了多项关键技术的研究。20世纪90年代以来,国家计委、科技部等部门开始有组织、有领导且有步骤地推动电动汽车的研究开发与产业化。“电动汽车关键技术研究”、“电动轿车概念车开发”等国家“八五”、“九五”重大科技产业化工程项目的实施,取得了一批世界领先的技术成果,缩小了与世界先进水平的差距。1999年,国家13个部委联合发起了“清洁汽车行车”号召。作为首选的产业化目标,燃气汽车和电动汽车被列为重点。2000年,科技部进一步将电动汽车的产业化列为“十五”科技工作重中之重的重大专项。2009年,我国政府更是把新能源汽车作为新一轮的经济增长的突破口和实现交通能源转型的根本途径来抓。2009年3月,国务院正式出台的《汽车产业调整和振兴规划》明确提出了新能源汽车的3年产业化目标,即到2011年,我国要形成50万辆纯电动、充电式混合动力和普通型混合动力等新能源汽车产能,新能源汽车销量占乘用车总销量的5%左右。我国还率先启动了大规模推广电动汽车的10城千辆新能源汽车的示范工程,第一批电动汽车已经在全国的13个城市开始运行。到2012年,运行的车辆将超过6万辆,相关基础设施也正在加快建设。根据“十二五”新能源汽车发展规划专家提出的设想,2015年后,我国将真正进入新能源汽车产业化阶段,预计到2020年,国内混合动力汽车保有量将达到1800万辆,纯电动车保有量将达到400万辆。中国政府对新能源汽车产业的重视程度和取得的进步令世界刮目相看。国际著名咨询研究机构麦肯锡公司的一份最新研究报告指出,“未来几年,假如中国能够尽快实现电动汽车的商业化和产业化,那么中国甚至有可能在新能源应用引发的第三次汽车产业革命中扮演领导者的角色,走在世界前列。”

新能源汽车降低成本的途径

在世界各国政府激励政策的支持下,新能源汽车核心技术正不断取得突破和进展,代表新能源汽车研究最新成果的概念车纷纷亮相在世界各大汽车展会上。在不久前闭幕的2010北京国际车展上,各国汽车制造商共推出了95辆新能源车,其数量几乎占了参展整车数量的1/10,新能源汽车的全面开花成为此次车展的一个新亮点。

然而,我们不得不面对的一个事实是,大面积地推广普及新能源汽车还面临着诸多阻碍和发展瓶颈,特别是新能源车高于传统汽车2~3倍的高昂价格令消费者望而却步。那么,新能源车为什么价格如此高昂?是否有办法将价格降下来,从而使新能源车变成普通百姓能够买得起的代步工具呢?

新能源汽车价格高昂的原因,首先是因为这种动力和汽车结构完全不同于传统车型的新车型,其早期的科研投入和基础设施投入都十分巨大。其次,由于新能源车的配套设施还不完善,加上本身的续驶里程较短,因此在很长一段时间内,新能源车将是满足短行程的小批量车型,而小批量车型的制造成本是较高的。另一个更重要的原因是,目前作为电动车动力源的电池能量密度较低,重量相对较重,而价格则比较贵。以世界上比较先进的锂离子电池为例,平均能量密度仅能达到100Wh/kg左右,而汽油的平均能量密度能达到12000Wh/kg。相比之下,锂离子电池的能量密度仅为汽油的1/120。而为满足一定的续驶里程(180km)需求,一辆中型的新能源电动轿车,其携带的电池重量竟然重达450kg左右,电池的价格约为车价的50%左右。因此,不仅因配备较多的电池组而需要支付更多的成本,而且自重的增加也会增加电动车的能耗,反过来影响续持里程。

显然,新能源电动汽车虽然具有零排放、能源结构优化以及驾驶操作方便等优点,但太高的成本却严重制约了其产业化和市场化的进程。目前,业内的共识是,新能源电动汽车春天的真正来临,将在一定程度上取决于价格与市场之间的博弈。也就是说,在与传统内燃机汽车相比的情况下,新能源电动汽车的价格需要降到市场可以接受的程度,而市场接受程度的高低又取决于新能源电动汽车价格的高低。由于新能源汽车价格高昂是全世界普遍存在的问题,因此,学习借鉴先进国家克服新能源汽车发展瓶颈的具体做法,对我们不无启迪作用。

1.政府扶持补贴政策

在全球主要的汽车生产和消费国,一个共同的现象是,对新能源汽车的相关政策推动很早就已经进入这些国家政府的视线。这似乎也是保持并发挥本国汽车工业优势的必然选择,毕竟新能源汽车是一个谁都不能错过的千载难逢的良机,领先者希望借其继续领先,落后者希望借其超越。

纵观各国政府的相关扶持政策,大多集中在研发和消费的两端。但自2008年金融危机以来,一个显见的趋势则是,各国政府的新能源汽车扶持政策都开始加速,并在鼓励消费方面有了更大的力度。例如,2009年8月,美国政府宣布,为鼓励消费,购买充电式混合动力车的车主可以享受7500美元的税收抵扣;2009年4月,日本政府出台了新的大规模经济刺激政策,其中包括:投入约3700亿日元,进一步加大对购买环保汽车的补贴力度;法国在1995年就制定了支持电动汽车发展的优惠政策,对购买电动车的消费者提供每辆1.5万法郎的补贴。从2008年初开始,又实行了“新车置换奖金”,即购买小排量、更环保的新车的车主可享受200~1000的补贴,而购买大排量、污染严重的新车的车主则须缴纳高至2600欧元的购置税。对于CO2排放量低于60g/km的“超级环保车”,政府将给予5000的高额补贴等等。

我国政府也于2010年的6月1日,由发改委、财政部、工信部和科技部联合发出了《关于开展私人购买新能源汽车补贴试点的通知》。通知规定,新能源汽车主要指插电式(plug-in)混合动力乘用车和纯电动乘用车。在上海、长春、深圳、杭州和合肥5个城市,按3000元/kWh给予补贴。插电式混合动力最高补贴5万元,纯电动最高补贴6万元。而混合动力车则被归为节能汽车,一次性补贴3000元。相信我国政府的扶持补贴政策将会极大地促进普通百姓购买新能源车的热情并加速新能源汽车的普及。

2.高性能电池的研制

降低新能源汽车成本的一条重要途径是高性能电池的研究开发。从目前新能源电动汽车成本组成的分析来看,电池成本占了大约50%左右,电池的重量大约为350~450kg。如果电池成本能降下来,则新能源电动车的成本也将随之降低。而电池成本高昂的原因是目前电池技术性能普遍较低,特别是电池单位重量的能量密度较低。能量密度是指每kg电池存储的能量数量,计量单位为:Wh/kg。众所周知,普通的铅酸电池的能量密度仅为40Wh/kg,而现在较为先进和成熟的锂离子电池的能量密度也只有100Wh/kg(也有报道能达到180Wh/kg)。但有专家指出,要使新能源电动车在电池充满电后具有与汽油发动机汽车相同的续驶里程,至少需要能量密度为700Wh/kg的高性能电池才行。更有专家指出,电池能量密度必须达到目前锂电池水平的8~10倍(即800~1000Wh/kg)才能满足需求。由于目前的动力电池达不到理想的高能量密度,因此所能采取的措施是:降低一次充电后的续驶里程数指标(一般为行驶200km以下),或者增加电池重量。

由于电池的能量与重量相关,而电池的成本也与重量相联系,虽然降低了一次充电后续驶里程数的指标,但满足这个低指标里程数还是需要一定重量的电池,所以造成新能源电动车的价格还是普遍居高。为此,各国政府和各主要电池能源供应商都把研制高性能的电池作为重要的发展方向,如:美国总统奥巴马2009年8月宣布,安排24亿美元支持PHEV的研发与产业化,其中20亿美元用来支持先进动力电池的研发和产业化;日本政府计划在2011年以前,投入400多亿日元用于先进动力电池技术研究,2010年左右,新型的锂电池将规模化地应用于下一代电动汽车;德国从2010年起,启动了一项4.2亿欧元的车用锂电池开发计划,几乎所有德国汽车和能源巨头均携资加入。我国从“八五”计划起就将电池研究列入国家攻关项目,所开发的磷酸铁锂电池的能量密度已能达到80Wh/kg,接近国际先进水平。下一步,我国动力电池的发展目标是:到2020年,使其成本下降2/3,能量密度提高一倍多。

3.汽车轻量化

轻量化是降低新能源汽车成本的更实际、更便捷的一条途径,能够带来“事半功倍”的效果。有研究数字显示:若整车重量降低10%,燃油效率可提高6%~8%;汽车整备每减少100kg,百公里油耗可降低0.3~0.6L;汽车重量降低1%,油耗可降低0.7%。这组数据虽然是根据燃油汽车研究统计出来的,但经过换算,它对于新能源电动车同样适用。国外曾有学者研究:一辆整备质量1550kg的新能源电动车,车载动力电池450kg,一次充电续驶里程为186km。利用碳纤维复合材料使其轻量化后,整车减重至1011kg,减重幅度达34.8%,同样充一次电,续驶里程增至275.5km,增加了89.5km,提高了48.1%。如果维持一次充电续驶里程186km不变,则动力电池仅需250kg就能达到目标,电池重量可减少200kg,减少了44.4%,相应的电池成本也将下降44%,这是一个非常了不起的降本绩效。更令人兴奋的是,研究发现,减重后整备质量为805kg的新能源电动车(包括250kg电池),由于自重的降低,导致能耗大幅降低,其电池能量密度只要达到250Wh/kg,充一次电就能续驶里程450km,达到传统汽油发动机车辆加满汽油后能够行驶的里程数,这使得高性能电池的研究难度门槛大大降低。

因此,新能源电动车通过轻量化,不仅节省了能源消耗,还使车载电池的重量大大降低,立竿见影地使成本得到大幅下降,赢得了新能源电动车生产厂商的青睐。目前,国外有许多知名汽车制造商纷纷与汽车复合材料企业联姻,合作开发轻量化新能源汽车。例如,2010年4月,德国宝马(BMW)汽车集团公司与德国西格里(SGL)集团共同宣布,将投资1亿美元合资兴建一座先进的汽车碳纤维制造工厂,2015年将推出型号为Megacity的碳纤维轻量化新能源车;日本经济产业省计划未来5年投资1850万美元,支持日产汽车、本田汽车、东丽公司和东京大学等科研单位联手开发汽车车体用新型碳纤维材料,目标是在2015年前后,使“碳纤维汽车”实现商品化。日本东丽(Toray)株式会社日前参股ACE(Advanced Composite Engineering GmbH)公司,决定在欧洲建立一个碳纤维增强塑料的研发基地,此举旨在扩大其在汽车部门的业务;加拿大汽车零件供应商Magna公司与加拿大国家研究委员会(NRC)结成伙伴关系,重点研发热塑性复合材料汽车零部件,旨在支持加拿大新能源车的发展。以上事实说明,新能源汽车轻量化是节能降本不可忽视的一条重要途径。在高性能电池技术没有重大突破之前,新能源汽车轻量化可能是降低成本的最佳途径。

新能源汽车发展凸现复合材料机遇

轻量化对于新能源汽车节能降本的优势是非常明显的。我们知道,汽车的轻量化主要通过合理的结构设计和使用轻质材料来实现。具体而言,一是优化对整车的结构设计,如除去零部件的冗余部分(使零部件薄壁化、中空化),部件零件化、复合化以减少零件数量,以及设计全新的结构等。二是优化材料设计,即用低密度材料代替钢铁材料。通常,能够满足优化结构设计要求且轻质的材料有许多,如高强度钢、铝合金、镁合金、钛合金和塑料等,为什么偏偏说“新能源汽车发展凸现复合材料机遇”呢?这是因为复合材料不仅轻质、高强和耐腐蚀,还具有以下几个得天独厚的优势:

1.复合材料具有可设计性

复合材料不仅材料是可设计的,其机械力学性能以及热、声、光、电、防腐和耐老化等物理、化学性能都可以按汽车的使用要求和环境条件要求,通过组分材料的选择、匹配、铺层及界面控制等设计手段,最大限度地满足整车优化结构设计的使用性能目标,方便地实现汽车工业中真正意义上的具有最佳性价比的构件开发和制造,这是其他所有材料无法比拟的。

2.复合材料具有整体综合优化优势

传统材料受加工工艺和条件的限制,一般很难一步完成对构件整体的加工,往往是先分割成小件加工,再通过焊接和其他连接手段而最终组合成一个完整的构件,不仅制造工序复杂,而且生产效率低下,加工成本高。而复合材料的材料和结构可同时成型制得,并且作为汽车复合材料的增强相,纤维和纤维织物是柔软的,其基体相树脂在成型过程中则易于流动,因此复合材料很容易实现汽车产品构件的整体化设计制造,以及对材料、结构和制造工艺的综合优化。其造型容易,构件整体性能好,因而可大幅度地减少零部件和连接件的数量,简化工序,缩短加工周期,提高生产效率并降低成本。

3.小批量生产复合材料具有制造成本优势

汽车工业原先的生产形式为大批量规模生产,传统材料虽然模具投资大,但由于产量大,冲压效率高,其成本相对于成型周期长、产量低的复合材料仍具有较大优势。但现在情况发生了变化,随着复合材料技术的进步,复合材料不仅模具投资少,成型效率也有了较大提高。以SMC模压件为例,在年产低于10万辆(件)的规模下,复合材料比传统材料加工件具有成本上的绝对优势,而新能源汽车的制造规模在很长一段时间内不会超过10万辆/年,所以复合材料在现阶段的优势将是非常明显的。

4.复合材料的材料成本涨幅不大,具有材料价格竞争优势

近年来,受世界能源和矿采资源价格上涨因素的影响,钢材、铝材和塑料等传统材料价格飞涨,直接造成了汽车制造成本的提高。相反,复合材料中占70%左右的增强材料在我国的资源十分丰富,价格平稳且低廉。而占不到30%的树脂基体虽然受到行业价格波动的影响,但影响的幅度对复合材料整体价格的影响相对传统材料不是很大。所以复合材料在新能源车轻量化材料中很具有材料价格竞争优势。

综上所述,在小批量的新能源汽车轻量化方面,与其他的轻质材料相比,复合材料在设计、性能、制造工艺、成型先进性、投资成本、制造成本和使用成本方面都更具优势,凸现出千载难逢的机遇。

结束语

目前,美国、欧洲和日本等主要汽车制造大国在研究开发新能源车时,采取的策略基本上是两路并进,即:一方面加强以高性能动力电池、驱动电机以及电气控制系统为重点的研发和产业化布局,另一方面加强对复合材料轻量化车身和车身结构为重点的研发和产业化布局,从而真正改善新能源汽车的生产成本与效能,真正实现新能源汽车的产业化和市场普及化。

从国外新能源汽车复合材料轻量化的实例来看,基本上遵循了以下两种工艺技术路线:一是全碳纤维车身结构的轻量化技术路线,其特点是,不仅车身外履件全部采用碳纤维制造,而且底盘、车身受力结构件和半结构件全部采用碳纤维材料。典型的车型有美国的TESLA跑车。这种全碳纤维车身结构的新能源汽车,其减重可达到50%~60%以上。另一种是混合复合材料车身结构的轻量化技术路线,即底盘和车架结构件采用碳纤维复合材料,吸能件采用热塑性复合材料,而外履件采用热固性复合材料,以充分发挥热固性、热塑性和碳纤维复合材料各自的优势,典型的车型有日本的LEXUS LF-A车。这种混合结构复合材料车型的减重也能达到50%左右。

总之,无论新能源汽车轻量化走哪一条工艺技术路线,复合材料轻量化路线的趋势是不会改变的,而且复合材料是新能源汽车轻量化的必由之路。

毫无疑问,当代融合了多种高新技术而兴起的纯电动汽车、混合动力汽车和燃料电池汽车,尤其是立足于电能源的纯电动汽车正在引发世界汽车工业的一场革命,展现了汽车工业向新能源、新动力和新车身结构方向发展的光明前景,也为复合材料行业提供了前所未有的发展大机遇。有句话叫做“百年机遇,稍纵即逝”,新能源汽车是我们汽车工业的百年机遇,也是我们汽车复合材料的百年机遇,如果我们不能正确认识新能源汽车发展带给复合材料行业这个千载难逢的百年一遇,并且没有做好充分的准备,我们确实有可能丧失良机,与机会擦肩而过。现代产业竞争有“快者得先机”、“掌握技术者获效益”的特点,有心致力于新能源汽车和零部件的企业,特别是汽车复合材料零部件企业,应当认清当前新能源汽车发展的大好形势和发展趋势,紧紧抓住千载难逢的发展机遇,在全复合材料汽车开发研究方面敢于进行大手笔的研发投入,在新能源汽车轻量化领域勇于创造自己的核心技术,并且力争尽早跨越产业化这一关口,在新能源汽车产业化高潮到来之前形成自身的产业优势、人才优势和竞争优势,为我国新能源汽车赶超世界先进水平做出应有的贡献。(end)

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